积耗散理论在平行流热管换热器性能评价中的应用

吴 喆,李奇贺,2,赵孝保,2

(1.南京师范大学能源与机械工程学院,江苏 南京 210023)(2.南京师范大学江苏省能源系统过程转化与减排技术工程实验室,江苏 南京 210023)

1 平行流热管换热器性能试验系统

1.1 试验系统及装置

平行流热管换热器性能试验系统如图1所示,在焓差实验室进行,包括空气处理、试验装置以及数据采集系统. 空气处理装置分室内和室外空气处理机组,室内空气温度调节范围为0～50 ℃,室外空气温度调节范围为-15～50 ℃. 试验前,在焓差实验室控制面板上设定试验所需温度,空气经空气处理装置调节至相应试验工况后送入试验装置. 试验装置由平行流热管换热器和两台风机组成,如图2所示. 两台引风机逆流抽取冷、热风流过平行流热管换热器. 平行流热管换热器水平放置,由保温隔板分隔为热侧和冷侧,在热管蒸发段管内液态工质受热蒸发为气态,经上部集流管流入冷凝段,在冷凝段放热冷凝为液体,再经下部集流管流回蒸发段,往复循环. 冷、热侧进出口处布置有铂电阻,测量风温,采用热成像仪TH7700观察蒸发段及冷凝段表面温度分布. 用压差计TSI5825测热侧压差,用系统中标准风洞测量风量.

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of test system

图2 平行流热管换热器及冷热风流道Fig.2 Parallel-flow heat pipe exchanger and the flow channel of cold/hot air

1.2 热传递过程积和积耗散计算

(1)

式中,Qvh是物体的定容热容量. 若为理想气体时,Qvh即为内能,J.T是物体的温度,K.

(2)

式中,L为流体流过换热器的长度,m.k为传热系数,W/(m2·K).Th与Tc分别指热流体温度与冷流体温度,℃.

本文将换热简化为如图3所示模型,包括两个传热过程,一是蒸发段中管外空气放热,管内工质吸热蒸发,二是冷凝段中管内工质放热冷凝,管外空气吸热. 根据热管均温特性,认为热管内冷凝段出口工质温度等于蒸发段进口工质温度,蒸发段出口工质温度等于冷凝段进口工质温度,将传热过程表示在如图4所示的T-Q图中.

图3 传热简化模型Fig.3 Simplified heat transfer model

图4 传热T-Q图Fig.4 Heat transfer figure of T and Q

图4中,AB段表示热空气流过蒸发段放热,空气温度由T1降至T′1. 蒸发段中工质蒸发吸热,温度由Tc升至Th,用CD段表示.EF段表示冷空气流过冷凝段吸热,空气温度由T2升至T′2. 冷凝段中工质冷凝放热,温度由Th降至Tc,用DC段表示.

ΔE=Ein-Eout.

(3)

ΔE=Q2Rg,h.

(4)

(5)

式中,

(6)

式中,m为质量流量,kg/s.cp为定压比热容,kJ/(kg·K). 下标a与32表示空气及工质R32.

2 实验结果与分析

2.1 温差对积耗散的影响

2.2 充液率对积耗散的影响

图5 温差对积耗散的影响Fig.5 Effect of temperature difference on entransy dissipation

图6 充液率对积耗散的影响Fig.6 Effect of liquid filling rate on entransy dissipation

2.3 倾角对积耗散的影响

图7 倾角对积耗散的影响Fig.7 Effect of inclination on entransy dissipation

2.4 冷侧迎面风速对积耗散的影响

图8 迎面风速对积耗散的影响Fig.8 Effect of approach velocity on entransy dissipation

3 结论